Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Потенциал гексаплоидных синтетических пшениц как источников устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе

ВАК РФ 03.02.07, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Потенциал гексаплоидных синтетических пшениц как источников устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе"

На правах рукописи

005053251

Адхам Аль Лаббан Ахмед

Потенциал гексаплоидных синтетических пшениц как источников устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе

Специальности: 03.02.07-генетика 06.01.05 - селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 1 О KT 2012

Москва 2012

005053251

Работа выполнена в Российском университете дружбы народов и в Московском научно-исследовательском институте сельского хозяйства «Немчиновка» Российской академии сельскохозяйственных наук

Научные руководители:

доктор биологических наук Лапочкина Инна Федоровна

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Романова Елена Валерьевна

Официальные оппоненты:

Берёзкин Анатолий Николаевич доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, кафедра селекции и семеноводства полевых культур, профессор

Николаев Александр Александрович кандидат биологических наук, Институт общей генетики имени Н.И.Вавилова Российской академии наук, лаборатория функциональной геномики, младший научный сотрудник

Ведущая организация: Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина Российской академии наук

Защита состоится 10 октября 2012 г. в 14-30 часов на заседании диссертационного совета Д 220.043.10 при Российском государственном аграрным университете - МСХА имени К.А.Тимирязева по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д.49, тел./факс (499) 976-24-92, (499) 976-40-94, e-mail: genetics@timacad.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке им. Н.И.Железнова РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева

Автореферат разослан 07 сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследований. Процесс создания доноров мягкой пшеницы по определенным признакам с использованием ее дикорастущих сородичей трудоемок и длителен. В генетических научных центрах России и за рубежом особое место занимают гибридные формы и константные линии, полученные методом отдаленной гибридизации. В синтетических пшеницах (SHWs-synthetic hexaploid wheats), полученных от скрещивания тетраплоидных видов пшеницы с видом Aegilops tauscht L., законсервирована изменчивость двух видов и она доступна для использования в селекции мягкой пшеницы. Синтетики хорошо скрещиваются с мягкой пшеницей, гибриды фертильны и имеют гомологичные геномы, что является основой для рекомбинации признаков и отбора генотипов с нужными свойствами. Коллекция синтетических пшениц, созданная в СИММИТ (Мексика) Mujeeb-Kazi et.al. (1995), доступна через Национальный центр генетических ресурсов (National Small Grain Collection) США (штат Айдахо). Эта коллекция никогда не оценивалась на территории РФ в качестве источников ценных в селекционном отношении признаков. В связи с этим, изучение синтетиков в условиях Нечерноземной зоны и отбор новых источников устойчивости к наиболее распространенным грибным заболеваниям пшеницы (бурая ржавчина и мучнистая роса), сочетающих устойчивость с другими хозяйственно-ценными признаками, является актуальным направлением исследований. Выделенные ценные генотипы станут доступным исходным материалом для селекционно-генетических исследований.

Цель исследований - провести оценку образцов коллекции синтетической пшеницы по устойчивости к бурой ржавчине возбудитель Puccinia triticina Rob. ex Desm f. sp. tritici Erikss. et Henn и мучнистой росе (Blumeria graminis (DC.) Speer f. sp. tritici Marchai.) и другим хозяйственно ценным признакам и выделить лучшие источники для использования в селекционном процессе в Нечерноземной зоне. Задачи исследований:

1. Оценить коллекцию синтетической пшеницы на инфекционном фоне бурой ржавчины и на провокационном фоне мучнистой росы в 2009-2011 годах и отобрать источники устойчивости к этим заболеваниям для условий Нечерноземной зоны РФ.

2. Определить стабильность образцов по маркерным морфологическим признакам колоса, листа и отобрать цитогенетически константные образцы для генетических и селекционных исследований.

3. Установить характер наследования устойчивости к болезням гибридами Fi и Гг. полученных от скрещивания устойчивых к болезням образцов с тестером

восприимчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе (линия Хакасская) и тестерами устойчивости (линиями с эффективными генами устойчивости Ьг и Рт), и определить наиболее вероятное число генов, детерминирующих устойчивость к этим заболеваниям.

4. Провести идентификацию генов Ьг с использованием тест-патотипов бурой ржавчины и молекулярных БТБ маркеров к генам устойчивости бурой ржавчины.

5. Оценить полиморфизм образцов синтетической пшеницы по содержанию белка, клейковины, железа и микроэлементов в зерне.

6. Оценить и отобрать устойчивые к болезням образцы по комплексу хозяйственно ценных признаков в сравнении со стандартным яровым сортом Лада.

Научная новизна. Впервые в условиях Нечерноземной зоны оценена коллекция синтетических пшениц (400 образцов) из N800 иББА-АЯЗ по устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе и отобраны источники устойчивости к этим заболеваниям. Впервые установлено, что в коллекции синтетических пшениц продолжает идти формообразовательный процесс, в основе которого лежит формирование анеуплоидных гамет и растений. Отобрано 45 цитогенетически стабильных образцов пригодных для генетических исследований.

У образцов идентифицирован спектр эффективных генов устойчивости к бурой ржавчине (Ьг34, ЬгЗб, Ьг4б, Ьг4б+Ьг24, Ьг4б+Ьг29, Ьг27+31, Ьг9+Ьг38), обеспечивающих устойчивость к популяции гриба в Московской области. Установлено, что формирование иммунитета у синтетической пшеницы определяется, исходя из спектра идентифицированных генов и их хромосомной локализации у мягкой пшеницы, в основном генами В и 2) геномов (6 и 5 генов соответственно), вклад генома Л - составляет 2 гена.

Выделены для практического использования 50 лучших образцов синтетической пшеницы с устойчивостью к бурой ржавчине и мучнистой росе. Они сочетают устойчивость с короткостебельностью, крупнозерностью и продуктивностью колоса.

Практическая значимость. Для селекционных программ на иммунитет отобраны источники и доноры с не идентифицированными и идентифицированными генами устойчивости к бурой ржавчине, определяющими устойчивость как на стадии проростков, так и на стадии взрослого растения, дана их характеристика по комплексу хозяйственно-ценных признаков. Отобраны образцы БШУ^ крупнозерные, продуктивные, с высоким уровнем седиментации, повышенным содержанием белка, клейковины и микроэлементов в зерне. Они являются новыми источниками этих признаков

для улучшения мягкой пшеницы в условиях Нечерноземной зоны РФ. Апробация работы. Результаты исследований представлены на I Международной научно-практической конференции преподавателей, молодых ученых и аспирантов аграрных вузов РФ «Инновационные процессы в АПК», 25-27 марта 2009г. (Москва, 2009), на Международной научно-практической конференции «Биологическая защита растений - основа стабилизации агроэкосистем» (Краснодар, 2010) и 13 международной конференции по устойчивости злаков к ржавчинам и мучнистой росе (Пекин, 2012). Публикации. Опубликовано 4 статьи по теме диссертации, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 148 стр. текста компьютерного набора, включает 37 таблиц, 6 рисунков; состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследований и 6 глав результатов исследований, выводов, рекомендаций селекционной практике и 2 приложений. Список литературы включает 161 источник, в том числе - 153 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материал, условия и методика проведения исследований. Объектами исследования служили 400 образцов синтетической пшеницы из коллекции NSGC USDA-ARS (штат Айдахо).

. Все работы проводили на провокационном фоне мучнистой росы и искусственном фоне бурой ржавчины. Провокационный фон мучнистой росы создавался путем обсева коллекции и питомников тестером восприимчивости к мучнистой росе (линия Хакасская). Через каждые 50 образцов высевали восприимчивую линию Хакасская, а также стандартные сорта Лада и Родина. Инфекционный фон по бурой ржавчине создавался с использованием всех рас, характерных для Московской области. Споры предоставлялись ВНИИФ. Инфекционная нагрузка была 10 мг/м2. Растения заражали в стадии выхода в трубку. Степень поражения образцов мучнистой росой оценивали по методике ВИР (Захаренко с соавт., 2000), а бурой ржавчиной по шкале Mains и Jackson (1926). Тип реакции на проникновение бурой ржавчины: 0 -иммунность; 0; -некрозы; 1- некрозы и маленькие пустулы; 2 - хлорозы и маленькие пустулы; 3 -средние пустулы; 4-большие пустулы.

Во время вегетации растений отмечали дату колошения и наличие маркерных признаков на колосе, листьях и стебле. После уборки определяли высоту растений, массу зерна с колоса, массу 1000 зерен. Структурный анализ проводили по 10 растениям в двух повторностях. Достоверность различий от стандартного сорта и коэффициент вариации рассчитывали по методике, изложенной Доспеховым (1979) с использованием программы Excel.

Содержание белка и клейковины в зерне определяли на инфракрасном спектрометре SpectraStar 2400. Уровень седиментации (мл) определяли микрометодом, основанном на степени набухаемости муки в 2% растворе уксусной кислоты. Анализы выполнены в аналитической лаборатории и в лаборатории технологии зерна Московского НИИСХ «Немчиновка».

Медь, цинк, магний и железо определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре. Зерно минерализовали сухим способом. В растворе золы медь определяли в аналитической линии 324, 7 нм, цинк -213,9 нм, магний -235,2 нм, железо - 248,3 нм. Для атомизации элементов использовали воздушно-ацетиленовое пламя.

Фиксация колосьев для цитологического анализа проводилась в фазе выхода в трубку. Колосья фиксировали в фиксаторе Нюкомера (6:3:1:1:1) (Newcomer, 1953). Подсчет числа хромосом проводили на временных давленых ацетокарминовых препаратах, а мейотический индекс (Ml, %) рассчитывали как число нормальных тетрад/к общему числу тетрад х 100%. (Паушева, 1988).

Идентификацию генов проводили с использованием молекулярных маркеров, сцепленных с генами устойчивости к бурой ржавчине Lr9, LrlO, Lrl9, Lr24, Lr34, Lr35, Lr37, Lr39, Lr46 и Lr50 и с генами устойчивости к мучнистой росе Рт2, РтЗс, Рт4Ъ, Рт13, Рт16. При проведении ПЦР анализа придерживались рекомендованных протоколов. Продукты амплификации разделяли методом электрофореза в 2% агарозном геле в трис-боратном буфере.

Идентификацию генов устойчивости в фазе проростков проводили совместно с сотрудниками ВНИИФ методом фитопатологического тестирования с использованием 9 тест-изолятов бурой ржавчины различного происхождения из Государственной коллекции ВНИИФ и 44 ¿г-линий пшеницы с одиночными генами устойчивости. Работы по постулированию Lr-генов проводили в камерах искусственного климата.

Генетический анализ расщепления и определение числа генов, контролирующих развитие признака и характер их взаимодействия проведен в соответствии с критерием %2 с использованием алгоритмов статистического анализа, разработанных Мартыновым С.П. "Agros2/07" (Мартынов, 1997).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Оценка коллекции синтетической пшеницы по устойчивости к бурой

ржавчине и мучнистой росе - Коллекция из 400 образцов синтетической яровой пшеницы была оценена по устойчивости к мучнистой росе (провокационный фон) и бурой ржавчине (искусственный фон заражения) в 2009, 2010 и 2011 гг. в полевых условиях. В 2009 г. отмечено эпифитотийное развитие мучнистой росы. Иммунных

образцов к этому заболеванию не выявлено. Но 50 образцов из 400 проявили устойчивость (поражение в пределах 5-10%). По бурой ржавчине обнаружены образцы с различной степенью устойчивости: от высокой восприимчивости (6080% поражения) до иммунных (0% поражения). В 2009 году было выделено 164 образца с поражением (0-20% и типом реакции 0-2), а также выделено 17 образцов с групповой устойчивостью к бурой ржавчине и мучнистой росе (табл.1).

Таблица 1. Распределение образцов синтетической яровой пшеницы по степени поражения бурой ржавчиной (2009 г.)__

Всего образцов Восприимчивых образцов Устойчивых образцов с поражением Образцов с групповой устойчивостью к мучнистой росе и бурой ржавчине

0-1% 1-5% 5-20%

400 236 81 46 37 17

После статистической обработки данных по продуктивности колоса и негативного отбора по зерну для повторных оценок устойчивости в 2010 году, было отобрано, а затем высеяно, 127 образцов (88 с устойчивостью к бурой ржавчине; 23 - с устойчивостью к мучнистой росе; 16 - с групповой устойчивостью к обоим заболеваниям). Вегетационный период 2010 года характеризовался повышенными температурами и дефицитом осадков, но обильные утренние росы способствовали эффективному заражению растений и развитию бурой ржавчины. По сравнению с 2009 г., в 2010 отмечался более высокий уровень поражения бурой ржавчиной стандартных сортов (Лада и Родина), тестера восприимчивости (линия Хакасская) и образцов коллекции синтетической пшеницы. По итогам иммунологических оценок в 2009-2010 гг. было отобрано 33 образца, устойчивых к мучнистой росе (5-10% поражения), 60 образцов устойчивых к бурой ржавчине (0-20% поражения), а также 15 образцов с устойчивостью к двум заболеваниям (табл. 2).

Таблица 2. Распределение образцов БНМУз по устойчивости к мучнистой росе и бурой ржавчине по результатам иммунологических оценок в 2009-2010 гг._

Всего образцов Число образцов с различным уровнем устойчивости к Число образцов

бурой ржавчине мучнистой росе бурой ржавчине образцов восприимчивых к двум заболеваниям

127 0-1% 1-5% 10-20% 0-5% 5-10% 10-15% 15 19

21 19 20 6 25 2

По результатам структурного анализа в 2010 г. было отобрано 50 образцов, лучших по устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе. В

2011г. большинство образцов подтвердили оценки устойчивости в 2009 и 2010 гг. (табл.3).

Таблица 3. Поражение бурой ржавчиной (%/„„ и мучнистой росой (%) у 50

Номер каталога N800 Поражение Каталожный номер ывск: Поражение

Бурой ржавчиной Мучнистой росой Бурой ржавчиной Мучнистой росой

2009 2010 2011 2009 2010 2011 2009 2010 2011 2009 2010 2011

И 369659 0 0; 1 25 10 25 Р1648679 5/1-а 1/.-2 1/. 10 7 10

И«13306 0 1 0 70 10 30 Р1648680 5/1 15/2 1А 10 7 10

И 613310 1/. 5/, 1/1 30 7 40 Р1648693 1/. 1/1 0 25 10 5

Р1613322 0 1 0 30 15 40 Р1648724 0 0; 1 15 5 15

Р1648489 60 60/2 60/2 9 5 10 Р1648726 5/2 30/, 1/|-2 15 0 15

И 648527 0 0 0 30 7 30 Р1648752 1Л 15/2 1/1 50 5 10

Р1648530 25/, 80 50/з 7 5 5 Р1648756 50 60 10/, 10 0 15

Р1648572 1/гз 80 30/, 7 0 5 Р1648757 30/2 60/4 15/4 10 5 15

Р1648573 1/г-з 25 /5 5/а.з 5 1 0 Р1648760 5 20/2 10/, 3 5 10

Р1648588 0 0 0 10 10 15 Р1648767 40 1/1 10/, 5 0 15

Р1648597 0 0 0 10 10 60 Р1648784 20/, 60/4 20/, 10 1 15

Р1648598 5/2 40/3 3/2-, 10 5 10 Р1648787 1/о; 10/2 10/, 15 15 10

Р1648599 1л 1/. 0 10 5 25 Р1648808 3012. 3 40/г- 3 Щ 5 0 15

Р1648603 10/з 0 10/, 25 5 25 Р1648821 0 1/1 0 25 10 30

Р1648611 0 0 0 50 20 40 Р1648822 40/, 60/4 40/, 10 3 10

Р1648612 15/, 0 10/2 40 10 50 Р1648826 1/1 15/, 1/. 5 3 5

Р1648621 1/. 1/2 5/,.2 25 10 25 Р1648827 25/, 60/4 25/, 3 1 10

Р1648633 1/, 0 0 40 15 40 Р1648836 40/:. 4 40/2. 4 1/2 10 5 5

Р1648645 0 5/, 0 15 5 40 Р1648837 5/2 5/> 1/2 15 10 10

Р1648650 1/. 1А 0 15 10 25 Р1648842 0 0 0 15 5 10

Р1648651 1/ц 1/о; 0 20 10 25 Р1648851 0 0 0 15 5 10

Р1648655 0 0 0 25 7 25 Р1648858 10/2 10/2 5/1.2 15 0 10

Р1648656 1/| 0 0 50 20 60 Р1648859 1/0; 5/2 3/2 10 0 15

Р1648662 1Л 10/2 0 50 20 80 РХ 648860 1/к 0 10/2 7 5 25

Р1648663 10/2 5/, 0 20 7 15 Р1648864 1/1 5/2 1/1 25 0 25

Перечисленные образцы можно использовать в селекции на иммунитет в качестве источников устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе.

Морфологическое описание и определение цитогенетической стабильности образцов синтетической пшеницы При выращивании образцов коллекции в условиях Подмосковья, мы обратили внимание на расщепление по ряду морфологических признаков у некоторых образцов. В частности, отмечено наличие/отсутствие остей, варьирование окраски колоса, опушение/отсутствие опушения на колосе и листе, наличие/отсутствие воскового налета на растении и колосе. Такое расщепление в пределах некоторых образцов могло быть обусловлено как засорением в процессе выращивания коллекции, так и с некоторыми цитологическими нарушениями мейоза. и оплодотворения у синтетически полученных амфидиплоидов, которыми являются синтетические пшеницы. В связи с этим явлением, часть коллекции БШ/з была подвергнута цитологическому анализу мейоза. В 2010 и 2011 годах был проанализирован 71 образец по характеру конъюгации хромосом в метафазе I мейоза и стадии тетрад (табл.4). К стабильным генотипам относили образцы с мейотическим индексом более 80%. Все разнообразие образцов можно разделить на следующие группы:

I группа. У растений этой группы установлена нестабильность числа хромосом (2л) и нарушение процесса мейоза (формирование повышенного числа открытых бивалентов, унивалентов и мультивалентов в метафазе 1 и формирование тетрад с микроядрами). У 11 образцов отмечали варьирование числа хромосом от 2п=41 до 2п=43. Эти образцы имели пониженный мейотический индекс (35-75%) (Р1 648571, Р1 648599, Р1 648767, Р1 648842, Р1 648760, Р1648757, Р1648580, Р1648529, Р1648687, Р1648843, Р1648491). II группа. В эту группу растений отнесено 10 генотипов, которые также расщеплялись по числу хромосом, но 42-хромосомные растения были стабильны по течению мейоза и имели высокий мейотический индекс (Р1 648558, Р1 648576, Р1 648660, Р1 648827, Р1 648861, Р1 648561, Р1 648864, Р1 648611, Р1648633, Р1648833).

III группа. Отобрано 45 образцов с правильным течением мейоза и высоким мейотическим индексом 80-90% (цитогенетически стабильных), пригодных для проведения исследований по генетике устойчивости к болезням (Р1 648528, Р1 648557, Р1 648559, Р1 648573, Р1 648575, Р1 648581, Р1 648586, Р1 648598, Р1 648603, Р1 648648, Р1 648650, Р1 648716, Р1 648724, Р1 648726, Р1 648572, Р1 648588, Р1 648649, Р1 648758, Р1 648752, Р1 648664, Р1 648681, Р1 648826, Р1 648508, Р1 648606, Р1 648865, Р1 648645, Р1 648629, Р1 613280, Р1 613306, Р1 613310, Р1 613320, Р1 613321, Р1 613322, Р1 648556, Р1

648608, Р1 648651, Р1 648655, Р1 648656, Р1 648661, Р1 648691, Р1 648693, Р1 648787, Р1648851, Р1648859, Р1648860).

IV группа. В эту группу отнесены 5 образцов, у которых все протестированные растения имели 2п=42, но в метафазе 1 мейоза отмечались нарушения: формирование повышенного числа унивалентов и мультивалентов, которые привели к формированию тетрад с повышенным числом микроядер. Эти растения имели пониженный мейотический индекс 57,1- 79,8%. Пыльца, которая сформируется из таких микроспор, может приводить к появлению анеуплоидных растений в следующем поколении. Таким образом, растения этих образцов еще не достаточно стабильны (Р1 648550, Р1 648756, Р1 648489, Р1648610, Р1648621).

Таблица 4. Разнообразие образцов вШУв по числу хромосом (2п), типу конъюгации хромосом в метафазе I мейоза и мейотическому индексу (МI, %)

Число растений Метафаза I Тетрады

Образец 0 £ 1 н а 2п Тип конъюгации % клеток с наруше ниями о ё Й в з а а | Ш,% Группа

2 13 41 20и+1'+19и+3' 100.0 323 67.4

Р1 648580 1 6 43 г^'+го^з1 100.0 116 55.1 I

2 28 42 2\п+20и+21 53.5 218 68.3

Р1 648660 1 5 5 77 41 42 20"+11 21" 100.0 15.5 88 647 68.2 94.7 II

Р1 613280 5 74 42 21п-20п+2' 13.5 592 94.6 III

Р1 648756 5 74 42 2111-19п+41 55.4 480 57.1 IV

Исходя из полученных данных, можно сделать заключение, что в коллекции синтетических пшениц продолжает идти формообразовательный процесс, в основе которого лежит формирование анеуплоидных гамет и растений. Вероятно, что отмеченное расщепление по опушению колоса, остистости, наличию / отсутствию воска на колосе и растении, а также гетерогенная реакция на проникновение бурой ржавчины (например, от 1/! до 1/3-4; от 1/о; до 25/3), которую наблюдали иногда в пределах одного образца, отражает этот формообразовательный процесс. Только 63% образцов имели

правильное течение мейоза и формировали нормальные тетрады. Эти образцы можно отнести к цитогенетически стабильным формам, и они пригодны для генетических исследований.

Особенности генетики устойчивости синтетических пшениц к бурой ржавчине и мучнистой росе Ежегодное наблюдение за коллекцией яровой мягкой пшеницы с известными генами устойчивости к бурой ржавчине (почти изогенные линии) и коллекцией образцов мягкой пшеницы с известными генами Рт, позволило установить, что в Московской области высокоэффективными генами устойчивости к бурой ржавчине являются: гены ювенильной устойчивости Lr9, Lr24, Lr27+31, Lr28, Lr29, Lr36, Lr47 и ген LrTr, гены устойчивости взрослого растения: Lrl2, Lrl3, Lr22a, Lr37, а также ген Lr46, определяющий замедленное развитие бурой ржавчины на растении (ген slow rusting). К высокоэффективным генам Рт можно отнести: Рт7, Рт12, Рт16, Рт17, Рт18 и Рт32. Тестер восприимчивости, линия Хакасская, не имеет генов устойчивости Lr и ежегодно поражается на 80 -100% и имеет тип реакции на проникновение бурой ржавчины 4 (восприимчивый тип).

Идентификация генов методом фитопатологического тестирования Для идентификации генов устойчивости к бурой ржавчине 42 образца синтетической пшеницы и 44 Ir-линии пшеницы с одиночными генами устойчивости в фазе первого листа инокулировали урединиоспорами тест-изолятов гриба.

В качестве тест-изолятов использовали 9 фенотипов Puccinia triticina различного происхождения с различным набором генов вирулентности. Получены следующие результаты: восприимчивость ко всем изолятам проявили 8 образцов (PI 648489, PI 648530, PI 648573, PI 648621, PI 648680, PI 648752, PI 648760, PI 648784). Эти данные согласуются с результатами оценок в полевых условиях (процент поражения болезнью достигал 15-25-50%), а тип реакции на проникновение патогена соответствовал восприимчивому типу (34). Исключение составил образец PI 648621, который в полевых условиях на инфекционном фоне проявил высокую устойчивость к бурой ржавчине. Степень поражения не превышала 1%, а тип реакции соответствовал 1 и 2. Вероятно, что устойчивость этого образца определяется наличием генов устойчивости взрослого растения (табл.5).

Устойчивый тип реакции (0, 0;, 1) ко всем изолятам на стадии проростков проявили 15 образцов (PI613310, PI 613322, PI 648527, PI 648588, PI648611, PI 648612, PI 648650, PI 648651, PI 648655, PI 648663, PI 648724, PI 648787, PI 648851, PI 648859, PI 648860).

Таблица 5. Результаты постулирования генов устойчивости к бурой ржавчине с использованием тест-патотнпов гриба РиссШа МНсШа (2009-2010 гг.)_

Номер каталога Постулированные Поражение Процент

образца гены Ьг образца в поражения почти

синтетической полевых изогенных линий с

пшеницы условиях соответствующими

коллекции ЫБОС (2009-2010 Ьг генами на

ШВА-АЯв годы) инфекционном

фоне бурой

ржавчины

Р1 648489, Р1 Гены не 60,80, -

648530, Р1648573, идентифицированы 25/3,20/2

Р1648680, Р1 из-за 15/2,20/2.з,

648752, Р1648760, восприимчивой 60

Р1 648784 реакции ко всем

Р1.648621 изолятам гриба на 1/1-2

стадии

проростков

Р1 613310, Р1 Гены не 1/„ 1/,

613322, Р1648527, идентифицированы 0,0,

Р1648588, Р1 из-за 0;, 0,

648611, Р1648612, исключительно 1/ь i/o;

Р1648650, Р1 устойчивой 0,5/,,

648651, Р1648655, реакции к 0;,10/2

Р1648663, Р1 проникновению 0,5/2

648724, Р1648787, всех изолятов 1/0;

Р1648851, Р1 гриба

648859, Р1648860

Р1648808 ¿г 2с 30-40/г-з 25-30

Р1648603 Ьг 36 Ю/г0 0

Р1648633 Ьг 36+ 1/.-2-0 0

Р1648837, Р1 Ьг 44 5/,.2, 5/l-20/2 Ю/4-2О/2

648840

Р1648821 Ьг Зка 0-1/, 40/4-60/з

Р1648599 Ьг Зка++ 1/rl/i 40/4-60/з

Р1648572 Ьг 10+ l/j-80 40/4-70/з

Р1648767 Ьг 21+ 40-1/, 5/,-40/3

Р1648598, Ьг 27+Ьг 31 5/2, 0-1/2

Р1 648757, ЗО/2-6О

Р1648822, Р1 40/з,25/з

648827

Р1648679 Ьг 21++ 5/,-1/, 5/1-40/з

Р1648842 Ьг 21+++ 0-0

Р1648726 Ьг 25++ 5/2-30/з 5О/3-6О/3

Р1613306 Ьг 14Ь + Ьг 46 0-1 5/1-Ю/2

Р1648662, Р1 Ьг 9, Ьг 38 1/0;-10/2,1/,.1/, Ьг9-0, Ьг38 -0

648693

Проявление такой реакции не позволило идентифицировать гены устойчивости в генотипах. В поле образцы проявляли иммунитет или устойчивость в пределах (1/г5/г) процентов поражения.

У 20 образцов выявлены 12 генов устойчивости: Ьг2с, ЬгЗка, Ьг9, ¿г 10, Ьг14Ь, Ьг21, Ьг25, Ьг2б, Ьг38, 1г40, Ьг44, Ьг4б и сочетание генов (1г27+1г57). Некоторые гены выявлены в сочетании с одним, двумя или тремя неизвестными генами устойчивости (что указано знаком + к идентифицированному гену) (табл.5).

У образца Р1 613306 предполагается наличие комбинации генов Ьг14Ь+Ьг4б. В тех случаях, когда идентифицированный ген не является эффективным для Московской области (ЬгЗка), а образец проявил устойчивость в течение двух лет испытания, мы можем предполагать наличие новых, пока не идентифицированных генов Ьг, обеспечивающих эту устойчивость.

Наибольший интерес для нас представляют образцы Р1 648662 и Р1 648693, в которых постулированы гены 1г9 и Ьг38. В условиях Центрального региона они проявили себя как высокоустойчивые к бурой ржавчине. Возможно, это обусловлено тем, что в популяции этого региона отсутствуют изоляты РиссЫа МНста, вирулентные к Ьг9 и Ьг38. Однако, гены вирулентности РиссШа Ыйста к этим генам устойчивости уже обнаружены в Западной Сибири на сорте Чернява в 2010 году (Жемчужина, 2010, персональное сообщение).

Идентификация генов с использованием ПЦР - метода

38 образцов синтетической пшеницы были протестированы на наличие генов Ьг9, ЬгЮ, Ьг19, Ьг24, Ьг34, 1г35, Ьг37, 1г39, Ьг46 и Ьг50 с использованием молекулярных маркеров. Ген ЬгЮ идентифицирован у двух образцов (Р1 648580, Р1 648588), а ген 1г19 - у шести образцов (Р1 648561, Р1648608, Р1 648580, Р1 648581, Р1 648588). Образец Р1 648588, у которого обнаружены оба гена устойчивости и который проявил иммунитет при заражении изолятами гриба на стадии проростков и в поле (0% поражения), также может использоваться в улучшении мягкой пшеницы по признаку устойчивость к бурой ржавчине. Ген Ьг34 обнаружен у образца Р1 648580. На рисунке 1 приведена электрофореграмма, иллюстрирующая наличие идентифицированного Ьг19 гена у 4 образцов синтетической пшеницы.

Эти же образцы коллекции синтетической пшеницы и почти изогенные линии протестированы на наличие генов Рт2, РтЗс, Рт4Ъ, Рт13, Рт16 с использованием БТБ маркеров. Ни один из генов не обнаружен у образцов, взятых в исследования.

203

500

1000 п.§.

1.МЬ

2. Р1 648528

3. Р1648561

4. Р1 648571

Рис.1. Электрофореграмма результатов ПЦР-амплификации маркера

п.н.), сцепленного с геном Ьг19.

Определение характера наследования устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе и числа генов, детерминирующих признак, и их

аллельности

Определение характера наследования признака устойчивости и наиболее вероятного числа генов, контролирующих устойчивость к перечисленным болезням, проводили в питомниках гибридов первого и второго поколения, полученных от скрещивания тестируемого образца синтетической пшеницы с тестером восприимчивости на инфекционном фоне, а наличие или отсутствие аллельных эффективных генов Ьг

и Рш - в гибридных комбинациях с почти изогенными линиями или линиями, с известными генами устойчивости.

Заключение о вероятном числе генов, детерминирующих признак устойчивости к бурой ржавчине, проводили на основании критерия хи-квадрат и гибридологического анализа полученных данных. Гибридологический анализ по бурой ржавчине проведен для 7 образцов ЗШУэ.

В таблице 6 приведены данные гибридологического анализа для образца Р1 648608. Установлено доминантное наследование признака устойчивости к бурой ржавчине, который детерминируется 1- геном, Тесты на аллелизм показали наличие расщепления в гибридных популяциях ¥г, и вероятное отсутствие генов Ьг9, Ьг27+31, Ьг28, Ьг29, Ьг35, ЬгЗб, Ьг38 и Ьг45, аллельных эффективным генам соответствующих изогенных линий. В то же время, отсутствие расщепления в комбинации с изогенной линией с геном Ьг24 может указывать на возможное присутствие гена Ьг24 у образца Р1 648608. Или

в

: -

> ¡¡¡я I I *т и , мне Ш!

Ь гЦ В 1МШ1Й

. гаДИВИшММ^ИИМ! ЙЯтаГОМЯНИИИИНШИИИЯИИ^

■ 2 3 4 5 6 7 % 9 10 И 12 13 1415 16

5. Р1 648575

6. Р1 648576 7о Р1 648580 8. Р1 648581

9. Р1648588

10. Р1 648598

11. Р1 648645

12. Р1 648687

13. Р1648760

14. Р1 648858

15. Р1 648864

16. контроль

иного доминантного гена на той же 3D хромосоме, где локализован ген Lr24. Ген Lr32, локализованный на этой же хромосоме (Mcintosh, 2004), не эффективен (поражение в поле 40/4). Поэтому, вероятно или наличие гена Lr24 или нового гена, интрогрессированного от Ае. taushii в синтетическую пшеницу.

Таблица 6. Результаты гибридологического анализа по признаку устойчивости к бурой ржавчине для образца синтетической пшеницы Р1648608 (2011 г.)_

Наследование расщепление х2 Заключение

Комбинация устойчивости Факт теор.

скрещивания bFI R: S*

PI 648608 х доминантное 29:7 3:1 0.593 наличие одного гена.

Хакасская 12:4' 13:3* 0.593 0.011 *Объем выборки на уровне Р=0.95 недостаточен для проверки гипотезы о наличии 2 генов

PI 648608 х Lr9, Lr27+31 Lr28 Lr29 Lr35 Lr36 доминантное 59:4 55:15 13:1 32:4 47:5 94:11 3:1 13:3 15:1 0.476 2.848 3.201 Наличие расщепления свидетельствует об отсутствии генов Ьг9, Ьг27+31, Ьг28, Ьг29, Ьг35, ЬгЗб, Ьг38, Ьг45, аллельных эффективным генам почти изогенных линий.

Lr38 50:16 3:1 0.020

Lr45 17:8 3:1 0.653

PI 648608 x доминантное 64:0 - - Вероятно наличие

Lr24 эффективного гена Ьг24, аллельного гену почти изогенной линии.

^тсор-З, 84 при df=l.

R: S* - соотношение устойчивых и восприимчивых растений в F2.

Для образцов Р1 648528 и Р1 648598 проходит гипотеза о наличии 1 гена устойчивости к бурой ржавчине (х21=3.03 и %22=3.05), однако мы ее отвергаем, так как гипотеза верна для полного доминирования признака. В нашем случае признак устойчивости наследовался по рецессивному типу (гибриды Б) поразились на 40% и имели восприимчивый тип реакции 4). Поэтому, наиболее вероятными являются гипотезы 9:7 и 10:6, которые свидетельствуют о наличии 2 комплементарных генов или 1 основного гена и гена-ингибитора.

Устойчивость образца Р1 648645 к бурой ржавчине (0-5/2) наследуется рецессивно и определяется 2-3 комплементарными генами. Не отвергаются гипотезы и о более сложном наследовании признака (1 ген, 1 ген-ингибитор и

ген-антиингибитор для расщепления 39:25, х2 =0.005) или (1 основной ген и два комплементарных гена-ингибитора для расщепления 43:21, £ =1.530). У образца отсутствует ген, аллельный гену Ьг35 почти изогенной линии.

Образец Р1 613310, показавший высокий уровень устойчивости к бурой ржавчине в полевых условиях (1/0 и стадии проростков, не имеет в генотипе эффективных генов, аллельных генам почти изогенных линий Ьг9, Ьг24, Ьг29, Ьг35, ЬгЗб и Ьг38. Устойчивость этого образца может быть обусловлена или наличием новых или пока не идентифицированных генов Ьг.

По результатам гибридологического анализа установлено, что у образца Р1 648611 иммунного к бурой ржавчине (0% поражения в поле), вероятно, присутствуют эффективные гены Ьг24 (ЗБ) и Ьг4б (1В) (все растения в Р2 в выборке из 57 и 74 растений устойчивы). Или новые эффективные гены на этих же хромосомах, соответственно. У образца отсутствуют гены, аллельные генам почти изогенных линий Ьг9, Ьг27+31, Ьг28, Ьг35, ЬгЗб, Ьг38 и Ьг45.

Образец Р1 648860, скорее всего, имеет сочетание генов Ьг29 и Ьг46 (отсутствует расщепление в Бг, все растения в проанализированных выборках из 101 и 51 растений были устойчивы к болезни) и отсутствуют гены, аллельные эффективным генам почти изогенных линий Ьг28, Ьг35, Ьг38 и Ьг45.

Резюмируя полученные результаты, мы можем констатировать, что признак устойчивости к бурой ржавчине у одних образцов синтетической пшеницы наследуется как доминантный (Р1648608, Р1 648851), а у других - как рецессивный (Р1648528, Р1 648581, Р1648598). При доминантном наследовании признака его контроль осуществляется 1-2 генами; при рецессивном - 2 генами с комплементарным взаимодействием или 1 основным геном и геном-ингибитором.

Таким образом, установлено наличие эффективных генов устойчивости к бурой ржавчине или сочетание генов у следующих генотипов: ЬгЗб (Р1 648603, Р1 648633); Ьг46+Ьг24 (Р1 648611); Ьг4б+Ьг29 (Р1 648860); Ьг46+Ьг14Ь (Р1 613306), Ьг27+31 (Р1648598); Ьг9+Ьг38 (Р1648662, Р1648693); Ьг34 (Р1648580). Эти генотипы рекомендуются для использования в селекции на иммунитет к бурой ржавчине в качестве доноров для регионов, где эти гены являются эффективными.

В некоторых устойчивых к бурой ржавчине генотипах обнаружены не эффективные для нашей зоны гены, например, ЬгЗка (Р1 648821, Р1 648599), ЬгЮ (Р1 648588), Ьг21 (Р1 648679, Р1 648842), Ьг19 (Р1 648608, Р1 648581, Р1 648588). В этих случаях мы можем предполагать у образцов наличие дополнительных, пока не идентифицированных генов или новых генов устойчивости.

Аналогичная работа по определению числа генов устойчивости к мучнистой росе и наличия аллельности генов проведена для 8 образцов синтетической пшеницы (PI 648581, PI 648528, PI 648481, PI 648588, PI 648859, PI648598, PI 648576, PI 648575), устойчивых к этому заболеванию (от 1-5% до 10% поражения мучнистой росой в полевых условиях). У всех протестированных образцов при скрещивании с тестером восприимчивости -линией Хакасская, наблюдали промежуточное наследование признака устойчивости в Fi (15-20%), а в F2 преобладали восприимчивые растения. Наблюдаемое расщепление чаще всего соответствовало теоретическому 3R:13S, что соответствует наличию одного гена и ингибитора. Не отвергается гипотеза о существовании 2 комплементарных или 2 дупликатных генов и наличии гена-ингибитора (9:55 или 15:49). Для образца PI 648576 установлено отсутствие генов, аллельных эффективным генам Рт5 и Рт32 тестеров устойчивости, а для образца PI 648575 отсутствие генов Рт5, Рт12, Рт18, Рт32. То есть, ни методом гибридологического анализа, ни молекулярно-генетическим методом, эффективных генов устойчивости к мучнистой росе в тестируемых образцах SHWs не выявлено.

Содержание белка, клейковины и микроэлементов в зерне

У выделенных источников и доноров содержание белка и клейковины в зерне должно быть сопоставимым с показателями современных сортов пшеницы. Почти половина населения мира сталкивается с дефицитом железа и цинка (Welch, Graham, 1999). Сорта мягкой пшеницы имеют ограниченный полиморфизм по содержанию этих элементов в зерне. У лучших 45 по комплексу хозяйственно-ценных признаков образцов SHWs изучена изменчивость содержания белка, клейковины, Fe, Си, Zn, Mg в зерне.

Большинство образцов синтетической пшеницы крупнозерные (39 образцов из 45 имели массу 1000 зерен выше 40г). Образцы достаточно продуктивны. Большинство из них не отличалось по этому признаку от стандартных сортов, а некоторые достоверно превышали стандарт. По накоплению белка и клейковины в зерне синтетические пшеницы также имели лучшие показатели в сравнении с сортами мягкой пшеницы Лада и Родина (содержание белка у синтетиков варьировало от 14 до 24%, а клейковины от 22.1% до 44.1% в сравнении с сортами 12.5-14.3% и 22.1-26.8% соответственно). Уровень седиментации у синтетических пшениц, который тесно связан с содержанием и качеством клейковины, также достаточно высок, достигая 5-6 мл (уровень сравним с данными сортов яровой пшеницы).

Содержание железа, меди и цинка в зерне синтетических пшениц варьировало значительно. Коэффициенты вариации составили Vfc= 41.4%, Vcu= 31.8%, Vzn= 34%. Варьирование признака содержание магния в зерне можно

считать средним. Коэффициент вариации УМв=14%. Для сортов мягкой пшеницы коэффициенты вариации по содержанию меди, цинка и магния были незначительными Уси=8.2%, У^З.4%, УМв=0.6%. И только изменчивость содержания железа в зерне можно считать средней (УРе=16.7%). При этом абсолютные значения содержания железа у синтетиков колебались от 34.5 мг/кг (Р1 648621) до 145.2 мг/кг (И 648822), то есть синтетики различались между собой по содержанию этого элемента в зерне более, чем в 4 раза. По содержанию меди в зерне выделены образцы с очень низким содержанием элемента 2.2-2.5 мг/кг, что в 2-3 раза ниже, чем у сортов мягкой пшеницы, так и образцы с высоким содержанием меди (Р1 648527 - 7.2 мг/кг; Р1 648840 - 7.9 мг/кг; Р1 648837 - 8.8 мг/кг). Примечательно, что высокое содержание меда отмечено только для образцов с устойчивостью к бурой ржавчине и с групповой устойчивостью к болезням.

По содержанию цинка в зерне большинство образцов не отличалось от сортов мягкой пшеницы. Однако коэффициент вариации >/¡¡„=31.8% указывает на широкую изменчивость этого признака у синтетических пшениц. Образцы с содержанием цинка >100 мг/кг достойны внимания физиологов и селекционеров (Р1 648612, Р1 648489, Р1 648572, Р1 648573, Р1 648588, Р1 648597, Р1 648599, Р1 648724, Р1 648840). По данным Сактак & а1. (1999), высокое содержание цинка в зерне может быть связано с развитием обширной корневой системы у пшеницы, и работа в этом направлении может привести к изменению физиологических свойств растений и формированию более продуктивных генотипов.

Изменчивость магния в зерне сортов яровой пшеницы была незначительной и колебалась в абсолютных значениях в пределах 1550-1570 мг/кг. У синтетической пшеницы коэффициент вариации был средним С^мг=14%), выравненность признака достаточно высокая (86%), но колебание между отдельными генотипами достигало 1000 мг/кг: 2160 мг/кг у образца Р1 648650 и 1160 мг/кг (Р1 613306). Вероятно, образцы синтетических пшениц могут быть источником улучшения мягкой пшеницы и по этому признаку.

Отбор лучших образцов синтетической пшеницы по комплексу хозяйственно ценных признаков и их характеристика . В 2009 г. во время уборки были отбракованы образцы сильно восприимчивые к мучнистой росе, восприимчивые к бурой ржавчине, расщепляющиеся по морфологическим признакам, высоте, а также не выколосившиеся генотипы (всего 273 образца). У оставшихся 127 образцов был проведен структурный анализ, и определены следующие показатели: высота растений (см), продуктивность главного колоса (г), масса 1000 зерен (г). Из

общего массива данных отобрали образцы устойчивые к бурой ржавчине (90 образцов), устойчивые к мучнистой росе (23 образца), и образцы с групповой устойчивостью к болезням (14 образцов). Отбирая лучшие по комплексу хозяйственно ценных признаков генотипы, обращали внимание не только на степень устойчивости к болезни, но также на число дней до колошения (браковали позднеспелые генотипы), высоту растения (браковали высокорослые образцы, достоверно превышающие стандартный сорт Лада), продуктивность колоса (отбраковывали низкопродуктивные образцы с массой зерна менее 0.9 г с колоса). После негативного отбора был составлен список лучших образцов устойчивых к бурой ржавчине - (44 образца), устойчивых к мучнистой росе (16 образцов) и 4 лучших образца с устойчивостью к двум болезням. Некоторые образцы, выделившиеся в условиях 2009 года (благоприятного для зерновых), представлены в таблице 7. В 2009 году почти все отобранные образцы достоверно превышали по крупности зерна сорт Лада (масса 1000 зерен - 36.0 г). Масса 1000 зерен у синтетиков колебалась от 44 до 64 г. Более половины образцов были более продуктивны, чем стандарт (сорт Лада). У некоторых образцов продуктивность колоса составила 2.0-2.6г.

Мы можем рекомендовать к использованию следующие образцы в селекционных программах на повышение устойчивости к бурой ржавчине: PI 648662, PI 648693 (с генами Lr9+Lr38), PI 648527, PI 648724, PI 648787, PI 648851(c не идентифицированными ювенильными генами устойчивости к бурой ржавчине), PI 613306 (с геном slow rusting Lr46), а также образцы с высоким уровнем развития хозяйственно ценных признаков, превышающих уровень стандартного сорта Лада в 2009 году: PI 648553, PI 648633, PI 648691, PI648760, PI 648787, PI 648821, PI 648832, PI 648862).

Особого внимания заслуживает образец PI 648598, сочетающий устойчивость к бурой ржавчине и мучнистой росе. Этот образец имел в 2009 году число дней до колошения и высоту на уровне сорта Лада, а по продуктивности колоса (2,4г) и массе 1000 зерен (бОг) превышает стандарт.

Условия 2010 года были жаркими и засушливыми. В этих условиях проведена оценка 127 образцов синтетической пшеницы по высоте, массе зерна с главного колоса и массе 1000 зерен в сравнении со стандартными яровыми сортами мягкой пшеницы Лада и Родина. Установлено, что колебание высоты у образцов в 2010 году было от 68 см (PI648821) до 122 см (PI 648572). Тридцать два образца из 127 образцов имели достоверно более крупное зерно (масса 1000 зерен 45-50 г.), чем у лучшего по этому показателю стандартного сорта Родина (масса 1000 зерен 39.5 г). При этом 31 образец имели продуктивность главного колоса 1.5 - 2,2 г. Эти значения находятся на уровне лучшего стандарта (сорт Родина).

Таблица 7. Лучшие по комплексу хозяйственно ценных признаков образцы БН\У8 устойчивые к бурой ржавчине, выделившиеся в 2009 году

Номер каталога %по ражения Число дней ДО колошения Высота растения, см Масса 1000 зерен, г Масса зерна с колоса, г

М.росой Бурой ржавчиной

Р1613306 70 0 53 106 50.8* 2.0*

Р1648527 30 0 59 81* 54.5* 1.5

Р1648553 30 5/2 58 82.5* 52.2* 1.9*

Р1648598 10 5/1.2 58 110 60.0* 2.4*

Р1648608 30 0 56 92* 57.0* 1.7

Р1648633 40 1/1-2 58 98.5* 63.9* 2.1*

Р1648645 15 0 60 100 50,1* 2,4*

Р1648655 25 0 53 102.5 48.3* 2.6*

Р1648656 50 1/о>1 53 106.5 49.0* 2.0*

Р1648661 50 0 51 112.5 53.5* 2.2*

Р1648662 50 1/о>1 53 102.5 44.9 2.1*

Р1648691 60 УслО 58 97.5* 53.5* 1.8*

Р1648692 25 1/. 60 97.5* 56.9* 2.2*

Р1648693 25 1/, 64 102 47.8* 1.7

Р1648724 15 0 52 105 49.7* 2.3*

Р1648725 40 1/1 56 95* 61.8* 2.1*

Р1648726 15 5/,.2 55 103.5 54.8* 2.2*

Р1648752 50 1А 52 105 48.1* 1.8*

Р1648760 5 5 55 97.5* 53.0* 1.9*

Р1648787 15 1/0: 62 80* 63.1* 1.9*

Р1648821 25 0 58 89.5* 57.4* 1.8*

Р1648832 25 0 56 92.5* 59.0* 1.9*

Р1648842 15 0 54 92* 48.3* 1.5

Р1648843 25 0 56 101 63.1* 2.2*

Р1648851 До 15 0 58 97.5* 60.1* 2.5*

Р1648859 10 1/о: 68 85* 51.4* 1.5

Р1648862 30 5/2 56 95* 60.4* 2.0*

Лада 15 3-5 58 109.5 36 1.3

НСР05 - - - 9.6 8.9 0.44

Совместив результаты оценки устойчивости к изученным болезням с результатами структурного анализа, мы отобрали лучшие образцы, сочетающие устойчивость к бурой ржавчине, мучнистой росе и двум болезням с лучшими показателями продуктивности, массы 1000 зерен, высоты и числом дней до колошения в условиях 2010 года. Из этих лучших образцов 20 были устойчивы к бурой ржавчине (0-10/0; 15 устойчивы к мучнистой росе (3-10% поражения); 15 образцов устойчивы к обеим болезням.

Таблица 8. Качественные и количественные признаки лучших вНХУв

Номер каталога N800 Бр 09-10*** Мр 09/10** Число дней до колошения Высота растений, см Масса 1000 зерен, г Масса зерна с колоса, г

Р1648588 0-0 10/10 60 102,5* 45.5* 2,0*

Р1648597 0-1/2 10/10 59 87,5 35.5 1,1

Р1648599 1/,-1/ом 10/5 61 92,5* 45.0 1.4

Р1648679 5А-2-1/.-2 10/7 61 85,0 44.5 1,9

Р1648724 0-0; 15/5 54 82,5 50.5* 2,7*

Р1648760 5 - 20/2 5/3 53 75,0 47.5* 1,5

Р1648787 1/0; -10/2 15/15 56 72,5 50.0* 1,3

Р1648837 5/2-5/, 15/10 58 75,0 49.0* 1,8

Р1 648840 5/,., - 20/,.2 15/1 57 77,5 47.0* 1,3

Р1648842 0-0 15/5 55 80,0 44.0 1,6

Р1648851 0-0 15/5 60 75,0 49.0* 2,0*

Р1648858 10/2 -10/2 15/0 58 77,5 43.5 1,4

Р1648859 I/o: - 5/2 10/0 57 77,5 42.5 1,3

Р1648860 1/о:"0 7/5 60 82,5 40.5 1,9

Родина 70-80 80/40 56 72,5 39.5 2,1

Лада ф) 5 - 70/4 15/5 54 75,0 34.0 1,4

НСР05 - - - 13,2 5.6 0,6

* * »-максимальное поражение бурой ржавчиной (%/тип реакции);** - мучнистой росой (%).

Были выделены комплексно-устойчивые образцы, перспективные для селекционной работы (Р1 6485976 Р1 648837, Р1648859, Р1 648724, Р1 648851, Р1 648860, Р1 648679, Р1 648588). Некоторые из перечисленных генотипов превышают стандартный сорт по массе 1000 зерен и массе зерна с колоса (Р1 648588, Р1 648724, Р1 648837, Р1 648851), а также имеют повышенное содержание белка и клейковины в зерне. К положительным признакам следует отнести высоту растений 75-85 см и число дней до колошения, совпадающее со

стандартными сортами. Эти образцы перспективны для исследования в засушливых регионах.

Таким образом, отбор генотипов в контрастных условиях 2009 и 2010 года по развитию хозяйственно ценных признаков позволил выделить образцы БН^Л^, проявивших высокое их развитие в оба года исследований. Это образцы: Р1 648588, Р1 613306, Р1 648527, Р1 648603, Р1 648621, Р1 648633, Р1 648645, Р1648662, Р1 648752, Р1648821.

Выводы

1. По итогам трехлетних иммунологических оценок из коллекции синтетической пшеницы N800 иЗБА-АКБ в условиях Нечерноземной зоны РФ из 400 образцов выделены 60 устойчивых к бурой ржавчине (020% поражения), 33 образца устойчивых к мучнистой росе (5-10% поражения), а также 15 образцов с устойчивостью к двум заболеваниям.

2. Обнаружено, что часть образцов БШ^э были не стабильными по проявлению морфологических признаков колоса, листа, стебля и имели гетерогенную реакцию на проникновение бурой ржавчины в пределах одного образца. Установлена причина такой нестабильности - нарушение процессов спаривания хромосом в мейозе и формирование тетрад с микроядрами. То есть, в основе продолжающегося формообразовательного процесса у синтетиков лежит формирование анеуплоидных гамет и растений. Для генетических исследований отобрано 45 цитогенетически стабильных образцов с правильным течением мейоза и высоким мейотическим индексом.

3. Установлено, что устойчивость к бурой ржавчине у образцов синтетической пшеницы наследуется по доминантному или рецессивному типу и детерминируется 1-2 генами. У образцов идентифицирован спектр эффективных генов устойчивости (Ьг34, ЬгЗб, Ьг46, Ьг4б+Ьг24, Ьг4б+Ьг29, Ьг27+31, Ьг9+1г38), обеспечивающих устойчивость к популяции гриба в Московской области.

4. У некоторых образцов, устойчивых к бурой ржавчине, методами фитопатологического тестирования и ПЦР-анализа идентифицировали не эффективные для зоны гены (1гЗка, Ьг21, ЬгЮ и Ьг19). В этих случаях устойчивость образцов, вероятно, определяется наличием или новых, или пока не идентифицированных генов устойчивости.

5. Исходя из хромосомной локализации идентифицированных генов у мягкой пшеницы можно предположить, что формирование иммунитета у

синтетической пшеницы определяется в основном генами В и D геномов (6 и 5 генов соответственно), вклад генома А - составляет 2 гена.

6. У всех протестированных образцов синтетической пшеницы при скрещивании с линией Хакасская наблюдали промежуточное наследование признака устойчивости к мучнистой росе в Fb с преобладанием в Б2 восприимчивых растений. Признак устойчивости к мучнистой росе определяется 2-3 генами, включая гены-ингибиторы. Методом гибридологического анализа и молекулярно-генетическим методом не выявлено известных эффективных генов устойчивости к мучнистой росе.

7. Установлено значительное варьирование хозяйственно ценных признаков: крупности зерна, продуктивности колоса, уровня седиментации, содержания белка, клейковины и микроэлементов (Fe, Си, Zn, Mg) в зерне, как между образцами, так и в сравнении с современными сортами яровой мягкой пшеницы. Образцы синтетической пшеницы PI 648612, PI 648663, PI 648784, PI 648822 являются новыми и ранее не использовавшимися источниками этих хозяйственно-ценных признаков для улучшения мягкой пшеницы в условиях Нечерноземной зоны.

Рекомендации селекционной практике

1. Для использования в селекционных программах на повышение устойчивости к бурой ржавчине рекомендуется 7 образцов: PI 648662, PI 648693 (с генами Lr9+Lr38), PI 648527, PI 648724, PI 648787, PI 64885l(c не идентифицированными ювенильными генами устойчивости к бурой ржавчине), PI613306 (с геном slow rusting Lr46).

2. В селекции на высокую продуктивность рекомендуются образцы с высоким уровнем развития хозяйственно ценных признаков в 2009 и 2010 годах: PI 613306, PI 648527, PI 648598, PI 648603, PI 648621, PI 648633, PI 648645, PI 648662, PI 648752, PI 648821. Особого внимания заслуживает образец PI 648598 с устойчивостью к мучнистой росе. Этот образец имеет число дней до колошения и высоту на уровне сорта Лада, а по продуктивности колоса и массе 1000 зерен достоверно превышал стандарт в 2009 и 2010 годах.

3. Для селекционных программ на качество зерна рекомендуются образцы, сочетающие устойчивость к бурой ржавчине с высоким уровнем белка, клейковины в зерне и повышенным содержанием Zn и Mg (PI 648821, PI 648645). Образцы, сочетающие устойчивость к мучнистой росе с хорошим качеством и повышенным содержанием железа в зерне (PI 648784, PI648822), а также образец с групповой устойчивостью к болезням и повышенным содержанием цинка в зерне (PI648724).

Список опубликованных работ

1. Адхам Аль Лаббан. Оценка яровой синтетической гексаплоидной пшеницы по устойчивости к мучнистой росе и бурой ржавчине в условиях Нечерноземной зоны России / Адхам Аль Лаббан // Биологическая защита растений - основа стабилизации агроэкосистем.- Краснодар, 2010,- Вып. 6.-С. 591-594.

2. Лапочкина И.Ф. Оценка и характеристика коллекции синтетической пшеницы (2п=42) как новых источников устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росой в условиях Нечерноземной зоны РФ /И.Ф. Лапочкина, Адхам Аль Лаббан, И.Ю. Макарова, Н.Р. Гайнуллин, А.И. Жемчужина //Известия ТСХА, 2011.- Вып. 6.- С. 39-48.

3. Адхам Аль Лаббан. Питательная ценность зерна синтетических пшениц (Г. aestivum) из коллекции Национального Центра генетических ресурсов США / Адхам Аль Лаббан, В.А. Минеева, И.Ф. Лапочкина //Теоретические и прикладные проблемы агропромышленного комплекса, 2011.- № 4(9).- С.35-40.

4. Lapochkina I. The synthetic wheat collection (2N=42) as a new source of resistance to leaf rust and powdery mildew under the conditions of the Non-chernozem zone of Russia (Коллекция синтетических пшениц (2N=42) как новый источник устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе в условиях Нечерноземной зоны России) /I.Lapochkina, N. Gaynullin, A. AlLabban, I.Makarova, I. Iordanskaya, A. Zhemchuzhina, E.KovalenKo, H. Bockelman //Disease Risk and food Security. Proceeding of the 13th ICRPMC 28 Aug. -1 Sept. 2012, Beijing.- 2012.- P. 195-196.

Отпечатано с готового оригинал-макета

Формат 60х84'/1б Усл.печ.л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 391.

Издательство РГАУ-МСХА 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 44 Тел.: (499) 977-00-12, 977-26-90, 977-40-64

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Адхам Аль Лаббан Ахмед

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ПОТЕНЦИАЛ СИНТЕТИЧЕСКОЙ ПШЕНИЦЫ К БИОТИЧЕСКИМ И АБИОТИЧЕСКИМ СТРЕССАМ.

1.1. Происхождение гексаплоидной пшеницы.

1.2. Первичная синтетическая гексаплоидная пшеница (Synthetic Hexaploid Wheat - SHWs).

1.3. Генетическая изменчивость SHWs по толерантности к биотическому стрессу.

Бурая ржавчина.

Желтая ржавчина.

Влияние поражения мучнистой росой на урожай и его качество.

Септориозы и другие пятнистости.

Головня пшеницы.

Фузариоз.

Насекомые-вредители.

Почвенные нематоды.

1.4. Генетическая изменчивость по толерантности к абиотическому стрессу

Засуха.

Температурный стресс.

Засоление.

Дисбаланс питательных микроэлементов.

Прорастание на корню.

1.5. Особенности качества зерна SHWs.

1.6. Стратегия применения первичных синтетиков в селекционных программах, результаты селекции и перспективы исследования.

ГЛАВА II. МАТЕРИАЛ, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА III. ОЦЕНКА КОЛЛЕКЦИИ СИНТЕТИЧЕСКОЙ ПШЕНИЦЫ ПО УСТОЙЧИВОСТИ К МУЧНИСТОЙ РОСЕ И БУРОЙ РЖАВЧИНЕ В УСЛОВИЯХ НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ РФ.

ГЛАВА IV. МОРФОЛОГИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЛУЧШИХ ОБРАЗЦОВ СИНТЕТИЧЕСКОЙ ПШЕНИЦЫ ИЗ КОЛЛЕКЦИИ ^вС

ГЛАВА V. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКОЙ

СТАБИЛЬНОСТИ ОБРАЗЦОВ СИНТЕТИЧЕСКОЙ ПШЕНИЦЫ.

ГЛАВА VI. ОСОБЕННОСТИ ГЕНЕТИКИ УСТОЙЧИВОСТИ

СИНТЕТИЧЕСКИХ ПШЕНИЦ К БУРОЙ РЖАВЧИНЕ И

МУЧНИСТОЙ РОСЕ.

6.1. Определение эффективных генов устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе в Нечерноземной зоне РФ.

6.2. Идентификация генов методом фитопатологического тестирования у 8Н\Уз.

6.3. Идентификация генов с использованием ПНР метода.

6.4. Определение характера наследования устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе, числа генов, детерминирующих признак и аллельности генов.

Выводы по главе 6.

ГЛАВА VII. КАЧЕСТВО ЗЕРНА И СОДЕРЖАНИЕ ПИТАТЕЛЬНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ У 8Н\У8.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Потенциал гексаплоидных синтетических пшениц как источников устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе"

Актуальность исследований. Процесс создания доноров мягкой пшеницы по определенным признакам с использованием ее дикорастущих сородичей трудоемок и длителен. В генетических научных центрах в России и за рубежом особое место занимают гибридные формы и константные линии, полученные методом отдаленной гибридизации. В синтетических пшеницах (SHWs- synthetic hexaploid wheats), полученных от скрещивания тетраплоидных видов пшеницы с видом Aegilops tauscht L., законсервирована изменчивость двух видов и она доступна для использования в селекции мягкой пшеницы. Синтетики хорошо скрещиваются с мягкой пшеницей, гибриды фертильны и имеют гомологичные геномы, что является основой для рекомбинации признаков и отбора генотипов с нужными свойствами. Коллекция синтетических пшениц, созданная в СИММИТ (Мексика) Mujeeb-Kazi et.al.(1995), доступна через Национальный центр генетических ресурсов США (штат Айдахо). Эта коллекция никогда не оценивалась на территории РФ в качестве источников ценных в селекционном отношении признаков. В связи с этим, изучение синтетиков в условиях Нечерноземной зоны и отбор новых источников устойчивости к наиболее распространенным грибным заболеваниям пшеницы (бурая ржавчина и мучнистая роса), сочетающих устойчивость с другими хозяйственно-ценными признаками является актуальным направлением исследований. Выделенные ценные генотипы станут доступным исходным материалом для селекционно-генетических исследований.

Цель исследований - провести оценку образцов коллекции синтетической пшеницы по устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе и другим хозяйственно-ценным признакам и выделить лучшие источники для использования в селекционном процессе в Нечерноземной зоне.

Задачи исследований:

1. Оценить коллекцию синтетической пшеницы на инфекционном фоне бурой ржавчины и на провокационном фоне мучнистой росы в 2009-2011 годах и отобрать источники устойчивости к этим заболеваниям для условий Нечерноземной зоны РФ.

2. Определить стабильность образцов по маркерным морфологическим признакам колоса, листа и отобрать цитогенетически константные образцы для генетических и селекционных исследований.

3. Установить характер наследования устойчивости к болезням гибридами Fi и F2, полученных от скрещивания устойчивых к болезням образцов с тестером восприимчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе (линия Хакасская) и тестерами устойчивости (линиями с эффективными генами устойчивости Lr и Рт), и определить наиболее вероятное число генов, детерминирующих устойчивость к этим заболеваниям.

4. Провести идентификацию генов Lr с использованием тест-патотипов бурой ржавчины и молекулярных STS маркеров к генам устойчивости бурой ржавчины.

5. Оценить полиморфизм образцов синтетической пшеницы по содержанию белка, клейковины, железа и микроэлементов в зерне.

6. Оценить и отобрать образцы устойчивые к болезням, по комплексу хозяйственно ценных признаков в сравнении со стандартным яровым сортом Лада.

Научная новизна. Впервые в условиях Нечерноземной зоны оценена коллекция синтетических пшениц (400 образцов) из National Small Grain Collection (NSGC) USDA-ARS по устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе и отобраны источники устойчивости к этим заболеваниям. Впервые установлено, что в коллекции синтетических пшениц продолжает идти формообразовательный процесс, в основе которого лежит формирование анеуплоидных гамет и растений. Отобрано 45 цитогенетически стабильных образцов пригодных для генетических исследований.

У образцов идентифицирован спектр эффективных генов устойчивости к бурой ржавчине (Ьг34, ЬгЗб, Ьг46, Ьг46+Ьг24, Ьг46+Ьг29, Ьг27+31, Ьг9+Ьг38), обеспечивающих устойчивость к популяции гриба в Московской области. Установлено, что формирование иммунитета у синтетической пшеницы определяется, исходя из спектра идентифицированных генов и их хромосомной локализации у мягкой пшеницы, в основном генами В и И геномов (6 и 5 генов соответственно), вклад генома А - составляет 2 гена.

Выделены для практического использования 50 лучших образцов синтетической пшеницы с устойчивостью к бурой ржавчине и мучнистой росе. Они сочетают устойчивость с короткостебельностью, крупнозерностью и продуктивностью.

Практическая значимость. Для селекционных программ на иммунитет отобраны источники и доноры с не идентифицированными и идентифицированными генами устойчивости к бурой ржавчине, определяющими устойчивость как на стадии проростков, так и на стадии взрослого растения, дана их характеристика по комплексу хозяйственно ценных признаков. Отобраны образцы БНМ^ крупнозерные, продуктивные, с высоким уровнем седиментации, повышенным содержанием белка и клейковины и микроэлементов в зерне. Они являются новыми источниками этих признаков для улучшения мягкой пшеницы в условиях Нечерноземной зоны РФ.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на I Международной научно-практической конференции преподавателей, молодых ученых и аспирантов аграрных вузов РФ «Инновационные процессы в АПК», 25-27 марта 2009г. (Москва, 2009) и на Международной научно-практической конференции «Биологическая защита растений -основа стабилизации агроэкосистем» (Краснодар, 2010) и 13 международной конференции по устойчивости злаков к ржавчинам и мучнистой росе (Пекин, 2012).

Публикации. Опубликовано 4 статьи по теме диссертации, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

1. Адхам Аль Лаббан. Оценка яровой синтетической гексаплоидной пшеницы по устойчивости к мучнистой росе и бурой ржавчине в условиях Нечерноземной зоны России / Адхам Аль Лаббан // Биологическая защита растений - основа стабилизации агроэкосистем.- Краснодар, 2010.- Вып. 6,- С. 591-594.

2. Лапочкина И.Ф. Оценка и характеристика коллекции синтетической пшеницы (2п=42) как новых источников устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росой в условиях Нечерноземной зоны РФ /И.Ф. Лапочкина, Адхам Аль Лаббан, И.Ю. Макарова, Н.Р. Гайнуллин, А.И. Жемчужина //Известия ТСХА, 2011,- Вып. 6.- С. 39-48.

3. Адхам Аль Лаббан. Питательная ценность зерна синтетических пшениц {Т. aestivum) из коллекции Национального Центра генетических ресурсов США / Адхам Аль Лаббан, В.А. Минеева, И.Ф. Лапочкина //Теоретические и прикладные проблемы агропромышленного комплекса, 2011.- № 4(9).- С.35-40.

4. Lapochkina I. The synthetic wheat collection (2n=42) as a new source of resistance to leaf rust and powdery mildew under the conditions of the Non-chernozem zone of Russia (Коллекция синтетических пшениц (2n=42) как новый источник устойчивости к бурой ржавчине и мучнистой росе в условиях Нечерноземной зоны России) /I.Lapochkina, N. Gaynullin, A. A1 Labban, I.Makarova, I. Iordanskaya, A. Zhemchuzhina, E.KovalenKo, H. Bockelman //Disease Risk and food Security. Proceeding of the 13th ICRPMC 28 Aug. - 1 Sept. 2012, Beijing.- 2012.- P. 195-196.